EMV-Filter für die Leistungselektronik

Herausforderungen durch leitungsgebundene EMV-Störungen

Leistungselektronische Systeme sind wesentliche Bestandteile moderner Antriebs-, Energieversorgungs- und Industrieanwendungen. Aufgrund der schnellen Schaltvorgänge von Leistungshalbleitern entstehen jedoch leitungsgebundene elektromagnetische Störungen (EMV-Störungen). Diese Störungen breiten sich über die Versorgungsleitungen aus und können die Funktionalität angrenzender Geräte erheblich beeinträchtigen. In sensiblen Anwendungen, wie z. B. in der Automobil- oder Medizintechnik, kann dies zu Fehlfunktionen oder gar Sicherheitsrisiken führen. Um die Einhaltung gesetzlicher EMV-Grenzwerte sicherzustellen und die Störfestigkeit von Systemen zu gewährleisten, sind effektive Filterlösungen erforderlich.

Grundlegende Funktionsweise aktiver EMV-Filter

Aktive EMV-Filter stellen eine innovative Lösung zur Unterdrückung leitungsgebundener Störungen dar. Im Gegensatz zu passiven Filtern, die auf Induktivitäten und Kapazitäten basieren, nutzen aktive Filter eine Kombination aus Sensoren, Leistungsverstärkern und Steuerschaltungen. Sie erfassen die störenden Signalanteile in Echtzeit und erzeugen ein gegenphasiges Signal, das die Störungen aktiv kompensiert. Durch diese aktive Regelung lassen sich insbesondere niederfrequente Störungen und asymmetrische Gleichtaktstörungen, die mit rein passiven Methoden schwer zu dämpfen sind, effizient reduzieren.

Vorteile aktiver EMV-Filter gegenüber passiven Lösungen

Der Einsatz aktiver EMV-Filter bietet mehrere entscheidende Vorteile gegenüber rein passiven Filtern:

• Kompakte Bauweise: Da aktive Filter keine großen Induktivitäten benötigen, ermöglichen sie eine platzsparende Integration in
  bestehende und neue Systeme.
• Bessere Dämpfung bei niedrigen Frequenzen: Passive Filter stoßen insbesondere bei niedrigen Frequenzen an ihre Grenzen.
  Aktive Filter können in diesem Bereich gezielt Störungen kompensieren und so eine höhere EMV-Performance erreichen.
• Geringere Verluste: Während passive Filter oft mit erhöhten ohmschen Verlusten verbunden sind, arbeiten aktive Filter
  energieeffizienter und reduzieren zusätzliche Leistungsverluste.
• Dynamische Anpassung: Aktive Filter reagieren flexibel auf sich ändernde Störspektren, wodurch sie besonders in variablen
  Betriebsumgebungen von Vorteil sind.

Eine besonders leistungsfähige Lösung stellen hybride EMV-Filter dar, die passive und aktive Filtertechnologien kombinieren. Sie vereinen die Breitbanddämpfung passiver Filter mit der adaptiven Störunterdrückung aktiver Systeme. Dies ermöglicht eine hohe Störungsreduktion über einen weiten Frequenzbereich, wodurch hybride Filter zunehmend in modernen Leistungselektroniksystemen Anwendung finden. Aktive und hybride EMV-Filter bieten damit einen vielversprechenden Ansatz zur Optimierung der elektromagnetischen Verträglichkeit in leistungselektronischen Systemen und tragen wesentlich zur Erfüllung anspruchsvoller EMV-Normen bei.

Für eine 1~ PFC Anwendung haben wir sowohl ein passives als auch ein hybrides EMV-Eingangsfilter entwickelt, um die Vor- und Nachteile beider Ansätze zu analysieren. Die Umwandlung des passiven CM-Anteils in eine aktive CM-Filterschaltung ermöglicht physikalische Grenzen herkömmlicher passiver Filterbauelemente zu überwinden. Besonders im niedrigen Frequenzbereich bis ca. 2 MHz entfaltet die aktive Filterschaltung ihr größtes Potenzial. Aufgrund der höheren Grenzfrequenz können die passiven CM-Drosseln durch kompaktere Alternativen mit kleineren Volumen ersetzt werden. Eine Reduzierung um 60 % in der Komponentenhöhe im Vergleich zur herkömmlichen Lösung ist das Ergebnis. Im Gesamtvergleich konnten eine Gewichtsreduktion von 25 % und eine Volumenreduktion von 40 % des hybriden Filters bei gleichbleibenden Kosten erreicht werden.

Weiterführende Informationen finden Sie in unserem Produktdatenblatt zum Download.

Unsere Expertise im Bereich passiver EMV-Filterlösungen erstreckt sich über den gesamten Entwicklungszyklus – von der detaillierten Analyse bis zur finalen Validierung in modernsten Testumgebungen. Im ersten Schritt führen wir eine umfassende Begutachtung der im leistungselektronischen System auftretenden Störspannungen durch, um die spezifischen Herausforderungen und frequenzrelevanten Bereiche zu identifizieren. Auf Basis dieser Analyse berechnen wir die notwendige Einfügedämpfung unter Einbezug der gültigen Grenzwerte der anzuwendenden Normen.

Im Anschluss entwickeln wir ein maßgeschneidertes Filterdesign, bei dem die Auswahl und Abstimmung der einzelnen Komponenten im Vordergrund stehen, um eine optimale Filterwirkung zu erzielen. Nach dem Aufbau der Filterlösung erfolgt eine Charakterisierung unter normierten Bedingungen (CISPR 17). Abschließend validieren wir die Gesamtsystemleistung inklusive der Filterlösung in unseren eigenen EMV-Laboren. Hierbei ermöglichen die Messungen eine fundierte Evaluierung der Reduzierung der Störpegel und stellen die normgerechte Funktionalität sicher. Mit diesem strukturierten und normkonformen Vorgehen bieten wir unseren Kunden verlässliche passive EMV-Filterlösungen, die optimal auf die Herausforderungen moderner leistungselektronischer Systeme abgestimmt sind.

Herausforderungen bei der Vorhersage leitungsgebundener Störungen

Leistungselektronische Systeme arbeiten häufig mit hohen Schaltfrequenzen und komplexen Strompfaden, was zu schwer vorhersehbaren leitungsgebundenen Störungen führen kann. Besonders in frühen Entwicklungsphasen, wenn das physische System noch nicht für umfassende Messungen zur Verfügung steht, ist die Vorhersage dieser Störquellen eine große Herausforderung. Die Komplexität der parasitären Kopplungen und die Interaktionen zwischen Bauelementen erfordern detaillierte Modelle, um störende Einflüsse digital abzubilden und realitätsnahe Prognosen zu ermöglichen.

Vorgehensweise bei der EMV-Simulation

Unser Ansatz beginnt mit der systematischen Erfassung der Schaltungsdaten – sei es anhand detaillierter Schaltpläne oder vorhandener Layout-Daten. Im Anschluss erfolgt die Nachbildung des Systems in einer Schaltungssimulation, bei der wir die aus der Aufbau- und Verbindungstechnik resultierenden parasitären Eigenschaften der verwendeten Komponenten berücksichtigen. Dabei fließen sowohl bestehende Layout-Informationen als auch spezifische Anforderungen hinsichtlich der Bauteilauswahl in die Simulation ein. Die Simulation liefert Vorhersagen der an einer typischen Netznachbildung (LISN - Line Impedance Stabilization Network) messbaren Störspannungen. Dieses simulierte Störspannungsprofil dient als Grundlage für den anschließenden Filterentwurf – unabhängig davon, ob eine aktive, hybride oder passive EMV-Filterlösung entwickelt wird.

Vorteile der EMV-Simulation im Entwicklungsprozess

Die EMV-Simulation bietet entscheidende Vorteile gegenüber groben Schätzungen oder aufwendigen Messkampagnen. Bereits in der Konzeptphase können potenzielle Störquellen identifiziert und gezielt adressiert werden, was zu einer erheblichen Reduktion von Entwicklungszeiten und -kosten führt. Durch die digitale Abbildung des Systemverhaltens lassen sich Filterlösungen optimal auf die spezifischen Anforderungen abstimmen und normgerechte EMV-Konformität sicherstellen. Im Vergleich zu manuellen Messverfahren ermöglicht die Simulation eine frühzeitige Analyse der Störmechanismen – ein wesentlicher Vorteil bei der Entwicklung komplexer leistungselektronischer Systeme.